基于任務(wù)驅(qū)動的巖石物理課程綜合性實驗教學(xué)設(shè)計
——以巖石熱物理參數(shù)測定為例

熊 健，林海宇，劉向君，丁懷碩，裴浩辰，戎成干

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500）

0 引言

巖石物理學(xué)基礎(chǔ)涉及巖石的基本物性、巖石的力學(xué)性質(zhì)以及電學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、放射性等物理性質(zhì)、產(chǎn)生機制、相互關(guān)系及其室內(nèi)實驗測定方法，具有知識點繁瑣且分散、基本概念多、實驗方法多、實驗技術(shù)知識點多等特點，是一門建立在以實驗為基礎(chǔ)，理論與實踐并重的結(jié)合性課程。目前，該課程主要包括理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分，其中實驗教學(xué)占有較多的學(xué)時，開設(shè)有巖心孔隙度的測定、巖心滲透率的測定、地層因素和電阻率增大系數(shù)實驗和聲波縱、橫波速度及衰減系數(shù)測定等實驗項目。這些實驗主要是驗證性實驗，缺少探究性或設(shè)計性。實驗教學(xué)相對于課堂教學(xué)，是對課堂教學(xué)過程的延伸，是對課本理論知識的直觀體現(xiàn)和實驗驗證，其具有較強的觀察性、操作性和理論實踐融合性等特點［1-3］。傳統(tǒng)的教學(xué)實驗?zāi)Ｊ郊础袄碚撝v解—儀器詳解—演示—操作”模式，主講教師先詳細(xì)講解實驗?zāi)康呐c原理，介紹實驗儀器，再給學(xué)生做演示，然后學(xué)生機械性模仿實驗操作，按部就班地完成實驗任務(wù)。顯然，這樣的實驗過程會使學(xué)生缺少對實驗的熱情，進而使學(xué)生忽視實驗的重要性，也會使學(xué)生缺少思考、分析與探討的意識。因此，需要對巖石物理實驗教學(xué)模式進行探索與改革，以期在實驗過程中培養(yǎng)學(xué)生動手能力、分析能力和創(chuàng)新意識。目前，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實驗教學(xué)中，已被證明是一種提高實驗教學(xué)水平有效方法［3-6］。還有部分實驗教學(xué)工作者［7-9］將科研成果轉(zhuǎn)化為本科生實驗項目進行探索，并取得一定成績。因此，基于科研成果的認(rèn)識，在任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式下，以研究思維融入綜合性實驗設(shè)計，發(fā)揮科研對教學(xué)的輻射作用，促進巖石物理實驗教學(xué)水平提高，培養(yǎng)學(xué)生的分析、解決問題能力與實踐能力，并激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。

1 任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法

與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法相比，任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法是將實驗內(nèi)容設(shè)計成多個具體實驗教學(xué)任務(wù)，通過完成多個具體任務(wù)來實現(xiàn)實驗教學(xué)目標(biāo)。任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的特點是讓學(xué)生參與課堂，參與實驗方案的設(shè)計和實驗方法的選擇，調(diào)動學(xué)生的能動性，激發(fā)學(xué)生對實驗的熱情與學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生探究精神與團隊協(xié)作意識。任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)需要學(xué)生主動學(xué)習(xí)，教師加以引導(dǎo)，需要兩者相互配合來完成實驗教學(xué)任務(wù)與目標(biāo)。任務(wù)驅(qū)動實驗教學(xué)環(huán)節(jié)框圖如圖1 所示。

圖1 “任務(wù)驅(qū)動”實驗教學(xué)環(huán)節(jié)框圖

由圖1 可見，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式下，不同實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中教師和學(xué)生分別起著不同的作用，其中實驗過程中教師活動變?yōu)椤皟x器詳解—任務(wù)分解—過程監(jiān)控—效果評價—探討引導(dǎo)”等環(huán)節(jié)，學(xué)生活動變?yōu)椤叭蝿?wù)分析與理解—自主操作—自主分析—歸納總結(jié)—撰寫報告”等環(huán)節(jié)。同時，不同的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)的能力是不一樣的。在實驗過程中，教師是組織者、指導(dǎo)者和幫助者，而學(xué)生才是實驗的主體且自主完成實驗。自主實驗操作，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗過程中若遇到問題，首先獨立思考，或與組員相互討論、相互協(xié)助。在實驗過程中，逐漸培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力以及團隊協(xié)作精神。通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，挖掘?qū)嶒灁?shù)據(jù)的信息，分析實驗數(shù)據(jù)的意義，在這個過程中，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力?；跀?shù)據(jù)分析結(jié)果，教師通過引導(dǎo)式、探討式等教學(xué)手段來引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的深入探討，實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，提出規(guī)律性認(rèn)識，在這個過程中，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。最后，對實驗設(shè)計和實驗過程中存在問題以及問題的解決方法進行總結(jié)，撰寫實驗報告，實驗報告中體現(xiàn)出學(xué)生的科學(xué)思維，在這個過程中，培養(yǎng)學(xué)生科研意識與工程理念。

2 綜合性實驗設(shè)計

目前，巖石物理學(xué)基礎(chǔ)課開設(shè)有4 項必修實驗項目，還開設(shè)有4 項選修實驗項目，包括巖石介電常數(shù)、巖石磁化率、巖石熱物理參數(shù)的測定以及巖石核磁共振實驗等。巖石熱物理性質(zhì)是巖石重要的物理性質(zhì)之一，包括巖石的熱導(dǎo)率、比熱容、熱擴散系數(shù)等物理性質(zhì)，其基本特征決定著沉積盆地的溫度場變化和流體分布等諸多物理現(xiàn)象，在油氣資源、地?zé)?、巖土工程等領(lǐng)域中具有重要的理論意義和應(yīng)用價值［10-11］?；趲r石熱物理參數(shù)的影響因素研究成果的認(rèn)識，將研究思維融入綜合性實驗教學(xué)設(shè)計中，在任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式下，設(shè)計了巖石熱物理參數(shù)測定實驗內(nèi)容，以期達到培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、解決問題能力、綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新意識和科研精神。

巖石熱物理參數(shù)測定實驗內(nèi)容包括樣品準(zhǔn)備、基礎(chǔ)物性參數(shù)、縱橫波速度、電阻率及熱物理參數(shù)等測試，將整個實驗內(nèi)容分成幾個任務(wù)，讓學(xué)生自主完成測試，其實驗流程如圖2 所示，其中該課程所開設(shè)的必修實驗項目中能讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)物性參數(shù)、縱橫波、電阻率等測試方法，這為本實驗內(nèi)容完成提供了較好的基礎(chǔ)?；趯嶒灉y試結(jié)果，分析巖石熱物理參數(shù)與其他巖石物理性質(zhì)間的變化規(guī)律，探討巖石熱物理參數(shù)的影響因素。

圖2 綜合性實驗流程

巖石熱物理參數(shù)測定以及所使用的主要儀器設(shè)備有：

（1）基礎(chǔ)物性測試。使用電子天平獲取巖樣的質(zhì)量，利用游標(biāo)卡尺測量巖樣的長度和直徑，即可獲取巖樣的密度；巖樣孔隙度測量利用“巖心孔隙度的測定”實驗項目中QKY-Ⅱ型氣體孔隙度測定儀實驗設(shè)備完成測量；巖樣滲透率測量利用“巖心滲透率的測定”實驗項目中STY-Ⅱ型氣體滲透率測定儀實驗設(shè)備完成測量。

（2）縱橫波速度測試。巖樣縱橫波速度測量利用“聲波縱、橫波速度及衰減系數(shù)測定”實驗項目中YDS-III型巖心電阻聲波聯(lián)測儀實驗設(shè)備完成測量。

（3）電阻率測試。利用“地層因素和電阻率增大系數(shù)實驗”實驗項目中YDS-III 型巖心電阻聲波聯(lián)測儀實驗設(shè)備完成測量。

（4）熱物理參數(shù)測試。利用DRE-III型多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)測試儀實驗設(shè)備完成測量。

3 結(jié)果與討論

巖石的熱物理參數(shù)測試結(jié)果如圖3 所示。由該圖可見，不同巖石樣品的熱物理參數(shù)之間存在一定變化范圍，且?guī)r石熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)變化范圍較大，而巖石比熱容的變化范圍較小，其中巖石熱導(dǎo)率值分布范圍為0.807～3.371 W/（m·K），平均值為2.353 W/（m·K）；巖石比熱容值分布范圍為0.751～ 0.916 kJ/（kg·K），平均值為0.803 kJ/（kg·K）；巖石熱擴散系數(shù)值分布范圍為0.388～1.573 mm2/s，平均值為1.143 mm2/s。這說明了不同巖石樣品間的熱物理參數(shù)間存在差異，這與巖石樣品的組織結(jié)構(gòu)差異有關(guān)［11-12］。

將科研思路融入實驗數(shù)據(jù)分析中，培養(yǎng)學(xué)生挖掘數(shù)據(jù)的能力，探究實驗數(shù)據(jù)意義，分析巖石熱物理參數(shù)與其他巖石物理性質(zhì)間的變化規(guī)律，探討巖石熱物理參數(shù)的影響因素，并培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻能力，加深對實驗結(jié)果認(rèn)識的深度和廣度。以巖石熱導(dǎo)率為例，進一步探討分析巖石基礎(chǔ)物性（密度、孔隙度、滲透率）、巖石縱橫波速度、巖石電阻率等參數(shù)與巖石熱導(dǎo)率間的關(guān)系。

3.1 巖石密度

巖石密度與巖石熱導(dǎo)率間關(guān)系如圖4 所示。由該圖可見，巖石密度與巖石熱導(dǎo)率呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.717 2。該研究結(jié)論與文獻［13-14］中研究結(jié)果具有一致性，他們研究結(jié)果表明巖石熱導(dǎo)率隨著巖石密度增大呈增大趨勢。這主要可能是因為巖石密度增大，巖石致密化程度加大，巖石孔隙度減小，造成巖石熱導(dǎo)率增大。

圖4 巖石密度與巖石熱導(dǎo)率間的關(guān)系

3.2 巖石孔隙度、滲透率

巖石孔隙度、滲透率與巖石熱導(dǎo)率間關(guān)系如圖5所示。由該圖可見，巖石孔隙度與巖石熱導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.645 1［見圖5（a）］，滲透率與巖石熱導(dǎo)率也呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.557 9［見圖5（b）］。該研究結(jié)論與文獻［14-17］中研究結(jié)果具有一致性，他們研究結(jié)果表明巖石熱導(dǎo)率隨著巖石孔隙度增大呈減小趨勢。這主要可能是因為巖石孔隙度增大，巖石中的孔隙增多，且孔隙中空氣的熱導(dǎo)率［25 mW/（m·K）］遠低于巖石中各類礦物的熱導(dǎo)率［18］，造成巖石導(dǎo)熱能力降低，導(dǎo)致巖石熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)增大。一般而言，巖石孔隙度與滲透率間呈正相關(guān)性，巖石滲透率增大，其巖石孔隙度增大，造成巖石熱導(dǎo)率降低。

圖5 孔隙度、滲透率與巖石熱導(dǎo)率間的關(guān)系

3.3 巖石電阻率

巖石電阻率與巖石熱導(dǎo)率間間關(guān)系如圖6 所示。由該圖可見，巖石電阻率與巖石熱導(dǎo)率呈無明顯的相關(guān)性，這可能是與干燥巖樣條件下測試電阻率有關(guān)，干燥巖樣電阻率主要由巖石中泥質(zhì)含量與導(dǎo)電礦物確定。

圖6 巖石電阻率與巖石熱導(dǎo)率間的關(guān)系

3.4 巖石縱橫波速度

巖石縱橫波速度與巖石熱導(dǎo)率間關(guān)系如圖7 所示。由該圖可見，巖石縱波速度與巖石熱導(dǎo)率呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.745 4［見圖7（a）］，巖石橫波速度與巖石熱導(dǎo)率間也呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.746 5［見圖7（b）］。該研究結(jié)論與文獻［17］中研究結(jié)果具有一致性，他們研究結(jié)果表明巖石熱導(dǎo)率隨著巖石縱波速度增大呈增大趨勢。這主要可能是因為巖石縱波速度在一定程度反映了巖石致密程度，即縱波速度越大，巖石致密程度越大，巖石縱波、橫波速度增大，巖石密度增大或巖石孔隙度減小，造成巖石熱導(dǎo)率增大。

圖7 波速與巖石熱導(dǎo)率間的關(guān)系

巖石縱橫波阻抗與巖石熱導(dǎo)率間關(guān)系如圖8 所示。由該圖可見，巖石縱波阻抗與巖石熱導(dǎo)率呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.75［見圖8（a）］，巖石橫波阻抗與巖石熱導(dǎo)率間也呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.761 8［見圖8（b）］。這主要可能是因為巖石縱波、橫波阻抗增大，反映出巖石縱波、橫波速度增大或巖石密度增大，將造成巖石熱導(dǎo)率增大。

圖8 縱橫波阻抗與巖石熱導(dǎo)率間的關(guān)系

基于巖石熱導(dǎo)率與巖石密度、孔隙度等其他巖石物理性質(zhì)間變化規(guī)律的認(rèn)識，可進一步探討如何利用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建多元回歸模型對巖石熱物理參數(shù)進行預(yù)測研究，構(gòu)建巖石熱物理參數(shù)的預(yù)測模型，從而實現(xiàn)巖石熱物理參數(shù)的預(yù)測與應(yīng)用。

4 結(jié)語

實驗教學(xué)是教學(xué)過程中理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，是對課堂教學(xué)過程的延伸，是對課本理論知識的直觀體現(xiàn)和實驗驗證，也承擔(dān)著學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的任務(wù)。實驗教學(xué)改革符合教學(xué)實際條件，不僅能提升實驗教學(xué)效果，也能促進理論教學(xué)效果的提升?；诳蒲谐晒恼J(rèn)識，在任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式下，進行巖石物理課程綜合性實驗設(shè)計，讓學(xué)生根據(jù)實際情況自主完成實驗，通過引導(dǎo)式、探討式等教學(xué)手段引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的思考，增加對知識的渴望，加深對知識理解的深度和廣度，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力、實踐能力、團隊協(xié)作能力，從而激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。本綜合性實驗內(nèi)容教學(xué)設(shè)計涉及多方面，不僅檢驗了學(xué)生對前期實驗項目掌握程度，也加深了學(xué)生對巖石熱物理參數(shù)的認(rèn)識，更能幫助學(xué)生深度地理解巖石熱物理參數(shù)與其他物理參數(shù)間的變化規(guī)律。